スーパー二相ステンレス鋼 S32760 の海水淡水化への応用

スーパー二相ステンレス鋼 S32760(UNS S32760、EN 1.4501、商品名 ZERON® 100) は、海水淡水化プラント -、特に逆浸透 (RO) およびマルチステージフラッシュ (MSF) システムの重要なコンポーネントのベンチマーク材料として浮上しています。- S32760 は、40 を超える孔食抵抗当量価（PREN）と、約 50% のオーステナイトと 50% のフェライトからなる微細構造を備えており、単相ステンレス鋼では匹敵できない耐食性、機械的強度、コスト効率の優れた組み合わせを実現します。-

Super Duplex Stainless Steel S32760 in Seawater Desalination

この記事では、S32760 の特性をデータに基づいて包括的に分析し、競合合金と比較し、世界中の淡水化技術者が新規建設と既存の淡水化プロジェクトの両方で高圧配管、ポンプケーシング、バルブ本体、熱交換器チューブ、圧力容器の材料として S32760 を選択し続ける理由を説明します。{2}{3}

2023 年に全世界で設置された淡水化能力は 1 億立方メートル/日を超えました。中東、北アフリカ、アジア-太平洋地域は需要の 70% 以上を占めています -。すべての大規模施設は、20+ 年間確実に機能するために S32760 などの耐食性合金に依存しています。-

ステンレス鋼は、オーステナイト、フェライト、マルテンサイト、または二相という微細構造相によって分類されます。二相グレードには、両方の相の最良の特性を組み合わせた 2 相 (オーステナイト + フェライト) 構造が含まれています。-。「スーパー二相」とは、高レベルのクロム (Cr)、モリブデン (Mo)、窒素 (N)、およびタングステン (W) を添加することによって達成される、PREN 40 以上の二相グレードを指します。

S32760 は、要求の厳しい海洋および化学環境における標準オーステナイトグレード (304、316L) および標準二相グレード (2205) の塩化物腐食制限を克服するために、1980 年代に特別に開発されました。これは海洋石油・ガス機器の業界標準となり、すぐに海水淡水化インフラストラクチャでも同様に不可欠であることが判明しました。

Super Duplex Stainless Steel S32760

表 1: 国際規格全体で同等の S32760 指定

標準ボディ	指定	一般商号	C マックス (%)	PREN 分
ASTM / ASME	UNS S32760	ゼロン®100	0.030	40以上
英語/ISO	1.4501	フェラリウム® 255	0.030	40以上
NACE / ISO 15156	S32760	-	0.030	40以上
英国規格	BS3146	ゼロン®100	0.030	40以上

表 2: S32760 の化学組成要件 (ASTM A182 / A276 / A790)

要素	Cr(%)	ニッケル(%)	Mo (%)	W (%)	N (%)	銅(%)	C(最大)
分	24.0	6.0	3.0	0.5	0.20	0.50	-
マックス	26.0	8.0	4.0	1.0	0.30	1.00	0.030
典型的な	25.0	7.0	3.5	0.7	0.25	0.70	0.020

25% Cr、3.5% Mo、0.7% W、および 0.25% N の組み合わせが、S32760 の性能上の利点の決定的な特徴です。窒素は強力なオーステナイト安定剤として作用し、耐孔食性を劇的に向上させます。タングステンは、還元酸環境における隙間腐食および均一腐食に対するさらなる耐性を提供します。

PREN の計算式:PREN=%Cr + 3.3 × (%Mo + 0.5 × %W) + 16 × %N

S32760 計算された PREN:25 + 3.3 × (3.5 + 0.5 × 0.7) + 16 × 0.25 ≈ 40.8 - はスーパーデュプレックスのしきい値 40 をはるかに上回っています。

S32760 の商業的に最も重要な利点の 1 つは、316L などのオーステナイト系ステンレス鋼グレードの 2 倍の降伏強度を実現できることです。これにより、エンジニアは、高圧 RO 膜ハウジングとポンプケーシングの重要な考慮事項である圧力の完全性を維持しながら、より薄い壁セクションで設計し、材料の重量とコストを削減できます。-

表 3: S32760 の機械的特性と競合するステンレス鋼グレード

財産	S32760 (スーパーデュプレックス)	S32205 (両面印刷 2205)	316L(オーステナイト系)	904L(スーパーオーステナイト)	6Mo (N08367) (スーパーオーステナイト)
0.2%耐力(MPa)	550以上	450以上	170以上	220以上	310以上
UTS(MPa)	750–895	680–880	480–680	490–690	690–895
伸長（％）	25 以上	25 以上	40以上	35 以上	30以上
硬度 (HB max)	310	290	217	220	241
-46度での衝撃エネルギー(J)	45 以上	45 以上	100以上	100以上	100以上
密度 (g/cm3)	7.8	7.8	8.0	8.0	8.0
熱伝導率(W/m・K)	14	14	14	12	12

設計上の利点:S32760 の降伏強度は 550 MPa 以上で、316L (170 MPa 以上) の 3 倍以上です。 100- バールの RO 圧力容器では、これは必要な壁厚の大幅な削減に直接つながり、316L 設計と比較して重量と材料コストを最大 40% 削減します。

海水は、金属にとって最も腐食性の高い自然環境の 1 つです。約 3.5% の塩化ナトリウム (NaCl) に加えて、マグネシウム、硫酸塩、溶存酸素が含まれています。脱塩プラントはこの課題をさらに強化しています。RO 塩水濃縮物は塩化物レベル 70,000 ～ 90,000 ppm に達する可能性があり、中東の海水温度は日常的に 35 度を超え、殺生物剤の投与 (通常は次亜塩素酸ナトリウム) により追加の酸化剤が導入されます。

Corrosion Resistance in Seawater Environments

海水淡水化プラントでは、次の 4 つの腐食メカニズムに対処する必要があります。

孔食 - 不動態皮膜欠陥における塩化物イオンによって開始される局所的な攻撃

隙間腐食 - の狭い隙間での攻撃 (フランジ面、ガスケットシート、堆積物の下)

応力腐食割れ (SCC) - 引張応力 + 塩化物 + 熱の組み合わせによる壊滅的な亀裂

侵食-腐食-高速ブラインによる保護酸化物層の機械的摩耗-

臨界孔食温度（CPT）は、塩化物-による孔食に対する材料の耐性をランク付けするための標準的な実験室指標です。これは、ASTM G48 方法 C に従って 6% 塩化第二鉄 (FeCl₃) 溶液で測定されます。CPT が高いほど、現実世界の海水孔食に対する合金の耐性が高くなります。-。

表 4: PREN と臨界孔食温度 (CPT) の比較 - ASTM G48 メソッド C、6% FeCl₃

合金/グレード	国連番号	プレン	CPT (度)	CCT (度)	耐SCC性
S32760 (スーパーデュプレックス)	N/A	≈ 41	>85度	>70度	素晴らしい
S32205 (両面印刷 2205)	S31803	≈ 35	≈ 35 度	≈ 22度	良い
6Mo (AL-6XN)	N08367	≈ 46	≈ 65 度	≈ 50度	とても良い
316L(オーステナイト系)	S31603	≈ 24	≈ 15度	≈ 0度	貧しい
904L(スーパーオーステナイト)	N08904	≈ 35	≈ 40度	≈ 28度	良い
合金 C-276 (Ni 合金)	N10276	≈ 65	>100度	>85度	素晴らしい

S32760 の 85 度を超える CPT は、ブライン温度が 40 度に近づき、塩化物濃度が最高となる中東の海水淡水化の設計要件を余裕でクリアします。標準のデュプレックス S32205 (CPT ≈35 度) では、これらの条件に対して十分な安全マージンが提供されません。

オーステナイト系ステンレス鋼 (304、316L) は、約 60 度を超える温度で塩化物 SCC の影響を受けやすいことで知られています。これは、海水淡水化プラントでは、オーステナイト鋼製の断熱されていない高温配管、熱交換器シェル、および MSF 蒸発器本体が、ほとんど警告なしに壊滅的な亀裂を引き起こす危険性があることを意味します。

S32760 のフェライト相の割合 (約 50%) により、塩化物 SCC に対する固有の耐性が得られます。この合金は、ASTM G36 (沸騰 MgCl₂、155 度) および ISO 15156 (サワーサービス) による標準化された SCC テストに亀裂ゼロで合格しており、海水淡水化プラントの最も危険なゾーンに適していることが確認されています。-

安全性が重要:高温の塩水中で数か月以内に SCC 故障が発生する可能性があるオーステナイト系グレード (316L、304) とは異なり、S32760 は、実際の脱塩運転条件をはるかに超える温度である 155 度 - での標準沸騰 MgCl₂ 試験で SCC を示しません。

海水淡水化施設 -（逆浸透（RO）、多段フラッシュ（MSF）、または多段効果蒸留（MED）--）には、数十の異なる機器タイプと配管回路が含まれており、それらはすべて腐食性の高い海水または濃縮塩水と接触して動作します。 S32760 は、次の重要なアプリケーションで指定されています。

表 5: S32760 アプリケーションマップ - 淡水化プラントの機器

機器・コンポーネント	該当するプロセス	動作状態	S32760 製品形式	適用規格
高圧海水供給配管-	RO	60–100 bar、35 度、Cl⁻ 35、000+ ppm	シームレスパイプ（Sch 40S / 80S）	ASTM A790 / A928
RO圧力容器エンドキャップ	RO	60 ～ 100 bar、周期圧力	鍛造品・プレート	ASTM A182 / A240
高圧ポンプのケーシングとシャフト-	RO/MED	80 bar+、高速ブライン	鋳物・バー	ASTM A890 グレード 6A
エネルギー回収装置 (ERD) のコンポーネント	RO	高圧差圧、摩耗	バー、チューブ	ASTM A276 / A789
濃縮塩排出配管	RO / MSF / MED	最大 70,000 ppm Cl⁻	溶接パイプ	ASTM A790 / A928
MSF / MED 熱交換器チューブ	MSF / MED	40～70℃、海水＋蒸気	溶接＆シームレスチューブ	ASTM A789 / A249
バルブボディとトリム（海水隔離）	全工程	完全に海水にさらされ、サイクリング	鋳物	ASTM A890 グレード 6A
海水取水スクリーン＆ストレーナー	全工程	継続的な海水 + 海洋生物付着	シート、プレート、バー	ASTM A240
フランジ、フィッティング、マニホールドシステム	RO / MSF	60 ～ 100 bar、フランジ面の隙間リスク	鍛造品	ASTM A182 F5

最新の大規模 RO 淡水化（例: 100,000～500,000 m3/日を生産する SWRO プラント）は、一般的な海水の場合は 55～80 bar、高塩分源の場合は最大 100 bar の供給圧力で動作します。-極度の圧力、塩化物濃度、およびすべてのフランジ継手とバルブ本体の隙間腐食のリスクを考慮すると、S32760 はエンジニアリング上の明確な選択肢となります。

給水配管（海水側）：S32760シームレスパイプ、Sch 40Sまたは80S、ASTM A790

高圧ポンプケーシング: ASTM A890 グレード 6A に準拠した S32760 鋳物

圧力容器相互接続配管: ASTM A182 F55 に準拠した適合鍛造品を備えた S32760

ブラインリジェクトマニホールド: S32760 溶接パイプ、ASTM A928

MSF プラントは RO よりも低い圧力で運転されますが、かなり高い温度 (ブラインヒーターゾーンでは最大 120 度) で運転されます。高温と海水の塩化物が組み合わさることで、SCC にとって極端な環境が生み出されます。 S32760 の二重微細構造は、この範囲で信頼性の高い SCC 耐性を提供し、その熱伝導率 (ニッケル合金よりも 14 W/m・K - 高い) が蒸発管束内の効率的な熱伝達をサポートします。

海水淡水化のための材料の選択は、最終的には腐食性能、機械的特性、加工性、総所有コスト (TCO) のバランスによって決まります。次の表は、淡水化サービスで最も一般的に検討されている 4 つの合金を直接比較したものです。

表 6: 海水淡水化用の比較評価 - S32760 と競合合金

評価基準	S32760 スーパーデュプレックス	S32205 デュプレックス 2205	6Mo (N08367) スーパーオーステナイト	アロイ625ニッケル合金
プレン	≈ 41 ★★★★★	≈ 35 ★★★	≈ 46 ★★★★★	≈ 52 ★★★★★
降伏強さ	550MPa以上 ★★★★★	450MPa以上 ★★★★	310MPa以上 ★★★	410MPa以上 ★★★
耐SCC性(Cl⁻)	素晴らしい ★★★★★	良い ★★★★	良い ★★★★	素晴らしい ★★★★★
溶接性	良い ★★★★	良い ★★★★	とても良い ★★★★★	良い ★★★★
相対材料費（指数）	1.0× (ベースライン) ★★★★★	0.7× ★★★★★	1.6× ★★★	5–10× ★★
20年間のライフサイクルコスト	最低 ★★★★★	低～中 ★★★★	中 ★★★	高★★
入手可能性 (パイプと継手)	素晴らしい ★★★★★	素晴らしい ★★★★★	良い ★★★★	普通 ★★★
SWRO に推奨 35 度以上 ?	はい ✔	ボーダーライン ⚠	はい ✔	はい ✔ (指定を超えています)

この比較により、S32760 が海水淡水化のパフォーマンスコストマトリックスにおいて最適な位置を占めていることがわかります。{1}耐食性では 6Mo と同等かそれを上回っていますが、コストは 1 キログラムあたり 40 ～ 60% 低くなります。 Alloy 625 と比較すると、淡水化サービスにおける実際のパフォーマンス上のメリットは最小限ですが、コスト差はさらに劇的（5～10 倍高価）になります。{10}}

Duplex 2205 は、攻撃性の低い回路 (透過水、化学物質の投与) には有効な選択肢ですが、PREN (≈35) と CPT (≈35 度) が低いため、高温のブライン回路や殺生物剤のキャリースルーが発生する可能性のある場所では十分なマージンが残りません。-

S32760 は、ほとんどの標準的なアーク溶接プロセスで溶接可能ですが、溶接部と熱影響部 (HAZ) で 50/50 のオーステナイト-フェライト相バランスを維持するために、手順管理を厳密に遵守する必要があります。相バランスが失われると、耐食性と靭性が低下します。

Super Duplex Stainless Steel S32760 Fabrication and Welding

GTAW (TIG) - はルートパスと薄肉チューブに推奨されます。-優れたアーク制御

GMAW (MIG) - パイプのフィルパスとキャップパスに適しています。資格のある手順が必要です

SMAW (スティック) - は、電極を正しく選択すれば現場溶接に使用できます

FCAW - は構造用途に適しています。シールドガス組成を確保する

SAW (サブマージドアーク) - は厚壁圧力容器の製造に使用されます。-

表 7: S32760 溶接に推奨される溶加材とシールドガス

プロセス	AWSフィラークラス	取引例	シールドガス
GTAW (TIG)	ER2594	アベスタ P12、OK ティグロッド 29.9	Ar + 2 – 3% N₂ (根); Ar/He + N₂ (充填)
GMAW (ミグ)	ER2594	アベスタ P12 MIG	Ar + 2% N₂ + 0.5–1% O₂
SMAW（スティック）	E2594	アベスタ 2507 / ESAB OK 68.53	N/A (被覆電極

パス間温度: 最大 150 度 (絶対にこれ以上上昇させないでください - はシグマ相の形成を促進します)

入熱: 0.5 ～ 2.5 kJ/mm。非常に低い入熱 (アンバランスなフェライト) と非常に高い入熱 (シグマ相、窒化クロムの析出) を回避します。

通常の用途では溶接後熱処理（PWHT）は必要ありません。- PWHT が必要な場合は、1,050 ～ 1,100 度で完全溶体化焼鈍し、その後急速水冷します。

ルートラン用のパージガス: Ar + 2 – 3% N₂ (窒素の添加により、溶接池とフェライトの過剰生成からの窒素損失を防ぎます)

位相バランスの検証: フェライト価 (FN) 体積比 30 ～ 60 または 40 ～ 60% のフェライト、ASTM E562 または磁気誘導計に従って測定

製造に関する警告:スーパーデュプレックスで最も一般的な製造エラーは、過剰なパス間温度であり、これによりシグマ (σ) 相の析出が促進されます。シグマ相は靭性と耐食性を大幅に低下させます。すべてのパスで、校正済みの接触温度計または感熱ペイントスティックが必須です。

表 8: S32760 淡水化サービスの製品形式規格と設計コード

標準ボディ	仕様	製品形態・適用範囲	淡水化との関連性
ASTM	A790 / A928	シームレス＆溶接パイプ	RO フィードおよびブライン配管
ASTM	A789 / A249	シームレス＆溶接チューブ	熱交換器チューブ（MSF/MED）
ASTM	A182 F55	鍛造品（フランジ、フィッティング）	高圧フランジ継手-
ASTM	A240	プレート、シート、ストリップ	船舶シェル、吸気スクリーン
ASTM	A276 / A479	バー、シェイプ	ポンプシャフト、ファスナー、インペラ
ASTM	A890 グループ. 6A	鋳物	ポンプケーシング、バルブボディ
ASME	B31.3	プロセス配管設計コード	すべての淡水化配管設計
ASME	セクション VIII ディビジョン. 1 / 2	圧力容器コード	RO圧力容器、フラッシュチャンバー
英語/ISO	EN 10216-5	シームレスチューブ（欧州）	ヨーロッパの-設計淡水化プロジェクト
ネイス	MR0175 / ISO 15156	サワーサービスの材料要件	給水源に H₂S が存在する場合

S32760 は、世界で最も要求の厳しい環境における海水淡水化プロジェクトで 30 年間の実績を蓄積してきました。-主要な参照プロジェクトとパフォーマンスデータには次のものが含まれます。

表 9: 海水淡水化における S32760 参考プロジェクト (例示)

地域	植物の種類	処理能力 (m3/日)	S32760 アプリケーション	パフォーマンスノート
中東 (湾岸)	SWRO + MSF	300,000+	HPポンプケーシング、供給配管、ブラインマニホールド	15+年間の運転で孔食故障ゼロ
スペイン (地中海)	スロウ	200,000	取水口からブライン排出までの海水フル配管システム	12年経っても交換不要
オーストラリア（パース）	スロウ	130,000	HPポンプシャフト、インペラ、バルブボディ	局所的な孔食障害の後、S32205 を S32760 に置き換えました
シンガポール	スロウ	136,000	ERDコンポーネント、相互接続配管	初日から指定されます。まだオリジナルのサービス中
インド（グジャラート海岸）	スロウ	100,000	フルHP配管、ポンプケーシング、マニホールド	高い周囲温度 (海面 38 度以上) - 孔食は観察されない

ケーススタディ:オーストラリアの SWRO プラントの文書化されたケーススタディによると、S32205 二重配管では、動作温度 28 ～ 32 度、塩化物レベル 35,000 ppm で局所的な孔食が発生したため、完全な交換システムが S32760 で再仕様化されました。-その後の 10+ 年間の運転では、さらなる腐食事象は記録されませんでした。

淡水化プロジェクト用に S32760 パイプ、チューブ、継手、または鍛造品を注文する場合は、完全なトレーサビリティ、正しい認証、およびテスト済みの材料を確保するために、注文書に次のすべてを含めてください。

合金指定: スーパー二相ステンレス鋼 S32760、UNS S32760、EN 1.4501

該当する製品規格（例：パイプの場合はASTM A790、チューブの場合はASTM A789、鍛造品の場合はASTM A182 F55）

製品形式: シームレス（高圧パイプに推奨）または溶接

サイズ: NPS または OD × 肉厚 (WT) またはスケジュール

熱処理条件：溶体化焼鈍（必須）

必要な試験: 静水圧、渦電流、超音波、PREN 検証、フェライト含有量 (FN 30 ～ 60)

認証: EN 10204 3.1 (標準) または 3.2 (第三者による立会い) 材料試験レポート-

PMI (陽性物質識別): すべての部品について 100% XRF または OES テスト

腐食試験: ASTM G48 メソッド C CPT 85 度以上 (契約で要求されている場合)

表面状態: ASTM A967 / ASTM A380 に従って完全に酸洗および不動態化

マーキング: ASTM A999 要件に基づくヒート番号、サイズ、グレード、規格、ピース番号

スーパー二相ステンレス鋼 S32760 は、単なる海水淡水化用の材料オプションではありません -、エンジニアリング標準です。 ≈41 の PREN、85 度を超える CPT、塩化物応力腐食割れに対する耐性、および 550 MPa 以上の降伏強度は、海水淡水化プラントの配管および回転機器に課題をもたらすあらゆる主要な故障モードに対処します。

1 つ下の階層 (Duplex 2205) と比較して、S32760 は、プラント設計者が気候変動によるより高い運転圧力、より高いブライン濃度、より高い原水温度に取り組む際に不可欠な安全マージンを提供します。より高価なニッケル合金 (合金 625、C-276) と比較して、S32760 は、30 ～ 80% 低い材料コストで淡水化サービスにおいて同等の現実世界のパフォーマンスを提供します。

SWRO、MSF、MED プロジェクトの新設、-腐食破損により低グレードの材料が損傷したブラウンフィールドのアップグレードの場合、S32760 が世界有数の淡水化エンジニアリング会社 - を選択する答えであり、それには十分な理由があります。

仕様のサポートを得る:淡水化プロジェクト用に認定済みの S32760 パイプ、チューブ、継手、またはバーを調達する準備はできていますか?当社の技術営業チームにお問い合わせください在庫状況、ASTM{0}}認定のミルテストレポート、競争力のある価格をご確認ください。当社は、工場から現場までの完全なトレーサビリティを備えたすべての標準製品形式で S32760 を供給しています。